Aerosoles antárticos finos troposféricos : composición iónica y su vinculación con la extensión de hielo marino

Abstract

La composición de los aerosoles atmosféricos de un sitio dado está determinada por la mezcla de emisiones de diferentes orígenes y fuentes producida por la dinámica atmosférica. La Antártica es un área única sobre la Tierra, separada de los continentes vecinos por el océano del sur y el vórtice ciclónico circumpolar, pero no por ello aislada. Por esta razón adquiere mucha importancia determinar cuanto afecta la intervención humana a la región Antártica, en este estudio, a través de la composición iónica de los aerosoles atmosféricos y sus ciclos atmosféricos; estas variables permiten obtener información sobre sus fuentes, ciclos y niveles de concentración base en la atmósfera. El propósito de este trabajo es contribuir al conocimiento del aerosol atmosférico de la isla Rey Jorge, península Antártica, así como a la evaluación del potencial efecto de algunas de las especies químicas estudiadas sobre la extensión de hielo marino, ya sea para evaluar el efecto de la extensión de hielo marino en la producción de ciertas especies, por ejemplo ácido metanosulfónico / sulfato no marino (MSA/nss-SO4 =), o en el transporte de otras como Cl- y Na+ cuando el aumento de la extensión de hielo disminuya la producción de aerosol marino. Se colectaron 16 muestras de material particulado con diámetro aerodinámico ≤ 3μm (MP3) fraccionado en el año 2007 (Expedición Antártica Chilena XLIII). En 2008 (Expedición Antártica Chilena XLIV), se colectaron 13 muestras. Se utilizó un impactador de cascada Andersen de 5 etapas y un filtro final (diámetros de corte: 2,84, 2,08, 1,40, 0,80, 0,41 y < 0,41 μm). Los iones cuantificados son: 8 aniones (F-, Cl-, Br-. NO2 -, NO3 -, SO4 =, CH3SO3 -, HCOO-) y 5 cationes (Na+, K+, Mg++, Ca++, NH4 +), usando un cromatógrafo iónico. Las concentraciones totales de MP3 variaron entre 12,57-3,87 μg/m3 (2007) y entre 18,54 -2,03 μg/m3 (2008), con Na+ y Cl- como iones predominantes en el rango de partícula > 2,08 μm. El metanosulfonato (CH3SO3 -) y el sulfato no marino (nss-SO4 -2) fueron cuantificables generalmente en el rango de partículas < 0,80 μm. Se observó una disminución de las concentraciones con el avance del período de muestreo de Na+ y Cl- durante los períodos de muestreo lo que indicaría, en primera instancia, un aumento en la extensión de hielo marino con el avance del invierno afectando la producción de aerosoles. Para el CH3SO3 - y el nss- SO4 -2, se observa la misma tendencia anterior, aunque no fue posible establecer si la disminución de sus concentraciones está directamente relacionada a la extensión de hielo en sí, o más bien a la relación entre la variación de la temperatura del mar y la actividad biológica del fitoplancton. La utilización de variadas herramientas estadísticas para determinar origen y fuente permitió establecer que los iones Na+, Cl-, Mg+2, K+ y Ca+2 son de origen natural. Los tres primeros iones tienen como fuente el océano. Los cationes Ca+2 y K+ presentan además del océano un componente relacionado a una segunda fuente, probablemente, las rocas ornitogénicas. El ión nss-SO4 -2 puede ser asociado a ambos orígenes: natural y antrópico. Desafortunadamente no existe forma de diferenciar el aporte cuantitativo individual de cada nss-SO4 -2. Finalmente el anión formiato (HCOO-) evidenciaría el transporte de largo alcance de material particulado producido en incendios forestales ocurridos en el sur de Chile (28- 30/01/2007). Las proyecciones del presente trabajo se extienden a dos aspectos fundamentalmente: establecer una relación entre las condiciones atmosféricas y la actividad biológica del fitoplancton, y extender el estudio de los aerosoles al estudio de la paleoclimatología, en particular en testigos de hielo

The composition of the atmospheric aerosols of a given site is determined by the mixture of emissions from different origins and sources produced by atmospheric dynamics. Antarctica is a unique area on Earth, separated from the neighbouring continents by the south ocean and the circumpolar cyclonal vortex, but not isolated. For this reason becomes very important to determine how the human intrusion affects the Antarctic region, in this study, through the ionic composition of atmospheric aerosols and atmospheric cycles; those variables provides information about their sources, cycles and base concentration levels in the atmosphere. The aim of this work is to contribute to the knowledge of the atmospheric aerosol of the King Jorge island, Antarctic peninsula, as well as to evaluate the potential effect of some of the studied chemical species on the sea ice extension, or to evaluate the effect of the sea ice extension in the production of certain species, for instance MSA/nssSO4 =, or in the transport of others like Cl- and Na+ when the sea ice increases diminishing the production of the marine aerosol. Sixteen samples of fractionated particulate matter with aerodynamic diameter ≤ 3μm (MP3) were collected in 2007 (XLIII Chilean Antarctic Expeditions). In 2008 (XLIV Chilean Antarctic Expeditions), 13 samples were collected. A Andersen cascade impactor of 5 stages and a back-up filter was used (cut diameters: 2.84; 2.08; 1.40; 0.80; 0.41 and < 0.41 μm). The quantification of 8 anions: F-, Cl-, Br-. NO2 -, NO3 -, SO4 =, CH3SO3 -, HCOO-, and 5 cations: Na+, K+, Mg++, Ca++, NH4 + was done, using a Ionic Chromatograph. The total concentrations of MP3 ranged from 12.57 to 3.87 μg/m3 (2007) and from 18.54 to 2.03 μg/m3 (2008). Na+ and Cl- show the greater concentrations in the range of particle > 2.08 μm. Methane sulphonate (CH3SO3 -) and non sea sulphate (nss-SO4 -2) were generally quantifiable in the particle range < 0.80 μm. A decrease of the concentrations along the sampling period of Na+ and Cl- was observed probably indicating, in a first approach, an increase of the sea ice extension with the advance of the winter affecting the production of aerosols. For the CH3SO3 - and nss-SO4 -2, the same tendency was observed, although it was not possible to establish if the decreasing of their concentrations were directly related to the sea ice extension himself, or rather the relationship between the variation of the sea temperature and the biological activity of the phytoplankton. The use of different statistical tools to determine origin and sources allowed establishing that ions Na+, Cl-, Mg+2, K+ y Ca+2 are of natural origin. The first three ions have the ocean as source. The cations Ca+2 y K+ presents besides ocean a component related to a second source, probably, the ornithogenic rocks. The nss-SO4 -2 can be associated with two origins: natural and anthropogenic. Unfortunately there is no way to distinguish the individual quantitative contribution of each nss-SO4 -2. Finally the anion HCOO- evidence long range transport of particulate matter produced by fires in forest of southern Chile (28-30/01/2007). The projections of this work cover two keys areas: establishing a relation between the atmospheric conditions and the biological activity of the phytoplankton, and extend the study of aerosols to the study of paleoclimatology, particularly in ice cores